HO-3000光纖光柵

隧道火災監測系統技術方案

HO-3000光纖光柵隧道火災監測系統

一.系統概述

HO-3000光纖光柵隧道火災監測系統是我司研發的基于光纖光柵傳感技術的新型火災監測報警系統，通過實時檢測光纖光柵溫度傳感器中心波長信號，實現隧道內部多個測點的溫度在線監測和火災報警。

光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕、無源檢測、防電磁干擾、阻燃防爆、易于遠程監測等優點，采用光纖光柵溫度傳感器的火災監測系統具備以下*優點：

1. 將測點的溫度變化轉換成光纖光柵中心波長的變化，通過對光波波長的測量，獲得測點的溫度信息，從本質上消除了系統光功率波動、傳輸鏈路損耗變化對測量精度的影響，定溫定位更加穩定精準。
2. *的光柵技術：使傳感器的中心波長與安裝位置一一對應，可以精確確定每個監測點位火災的位置和溫度曲線變化，易于確定事故位置。
3. 測量精度高，響應時間短。測溫精度可達±1℃，溫度采樣時間小于0.2秒。
4. 傳感器具有良好的重復性，長期穩定性好。
5. 具有定溫和溫升速率預警功能：在火情發生前期，溫度變化異常情況時及時提前預警并報警，提前防范火情于未然，真正意義上做到實時火情監控，為人生生命和國家物資財產安全作出特殊的監測貢獻。
6. 標準的以太網接口，且通信協議可以開放，利于上位機的軟件兼容。

HO-3000光纖光柵隧道火災監測主機通過以太網絡與監控計算機進行通信，可實現遠程集中監控；通過繼電器接口與報警控制器相連，實現分區、分測點過溫報警；通過多級可配置報警溫度設置，實現火災預警與報警。另外，系統的調試、區域設置、報警參數設置等操作均可在測溫主機或遠程監控計算機上完成，操作、維護方便。

此外，技術方案中的核心器件，選用國內**的掃描激光器，優于傳統廠家核心部件的可動機械部件，整個設備不含任何可動的機械部件，穩定可靠，壽命可長達30年。

 *的全波段掃描激光器的解調方案，使得連接到設備的所有傳感器均能定位，設備*自檢功能，任何一個傳感器故障或者報警，系統均可以精確定位到該傳感器。大大縮短故障或者報警的定位時間，為排查故障點位，精確定位火情點，實施火情預判功能消除火災隱患節約時間。

二.工作原理

HO-3000光纖光柵隧道火災監測系統基于光纖光柵溫度傳感技術，利用光纖光柵的溫度敏感特性，通過隔離應力、應變的封裝結構，實現對溫度變化的精確測量。

光纖光柵是近年來發展起來的一種新型傳感技術，它是利用光纖芯層材料的光敏特性配合增敏處理，通過紫外曝光的方式在光纖芯層產生一段周期性的折射率變化，形成Bragg光柵結構。

 Bragg光柵具有窄帶反射的特性，一個寬譜的入射光（帶寬約40nm）經過光纖光柵后，只有滿足波長匹配條件的極小譜寬的光信號被反射（3dB帶寬約0.15nm），其余波長的光信號透射進入下一個光纖光柵，如圖1所示。反射光的中心波長與Bragg光柵的柵格周期、光纖芯層的折射率成正比。

由于光纖材料自身的熱脹冷縮和熱光效應，當環境溫度變化時，光纖光柵的柵格周期以及光纖芯層的折射率都會發生變化，使得光纖光柵的反射光中心波長隨之改變。通過對反射光中心波長的數字化精確測量，既可獲得待測溫度的變化情況。

一個典型的單通道光纖光柵傳感系統如圖2所示，若干個不同中心波長的光纖光柵傳感器串聯成一個傳感器陣列，寬帶光源發出的光信號經過光纖光柵傳感器陣列反射后，進入到波長檢測系統，完成光電信號的轉換、采集和處理，獲得每個傳感器的溫度測量值。作為整個光纖光柵傳感系統的核心，波長檢測系統的性能直接決定了整個傳感系統的性能。

對光纖光柵反射光中心波長的檢測有多種不同的方案，HO-3000系統將反射光通過一個散射分光成像系統（如圖3所示），利用光電探測器陣列獲得整個40nm帶寬范圍內所有光纖光柵的反射光譜信息，利用*的光譜分析技術，通過對光譜曲線的分析與處理，精確獲得每個反射峰的中心波長值。結合預先設定傳感器溫度敏感參數，計算得到每個光纖光柵傳感器所在位置的溫度信息。整個波長檢測系統無可動部件，相對可調諧濾波器波長解調方案，避免了由于可調諧濾波器壓電陶瓷老化特性帶來的長期穩定性問題，系統可靠性高，長期穩定性好。

三.系統特點

HO-3000光纖光柵隧道火災監測系統是根據公路、地鐵隧道等消防安全監測的實際需求，結合先進的光纖光柵傳感技術研制開發的新型溫度監測報警系統。和其他感溫火災監測系統相比，本系統具有如下特點：

1. 本質安全，防燃防爆

HO-3000系統測溫部分采用全光纖結構，真正實現了無源溫度監測，自身不帶電，不發熱，不會因為傳感系統的布設帶來安全隱患。

1. 測溫精度高

整個溫度傳感系統的溫度分辨率為0.1℃，溫度測量精度為±2攝氏度，并且系統測量精度和溫度分辨率不隨光纜長度、溫度測點個數的增加而降低。

1. 響應時間短

本系統采用并行光譜采集處理技術，每通道的測量時間與通道內的傳感器個數無關，每通道的光譜數據采集實現小于2毫秒，加上數據處理以及與外部通信，每通道溫度刷新時間不大于0.2秒，并且與溫度分辨率、測量精度無關。

1. 實時在線監測

本系統能夠對隧道中所有測點的溫度進行7x24小時不間斷監測，并且可根據需要定時保存溫度測量數據，為隧道的結構健康監測提供輔助數據。

1. 精確的空間定位

光纖光柵溫度傳感屬于準分布式溫度測量，一個傳感器與一個測點對應，并且每個傳感器具有全局性。通過監測軟件可以精確確定發生過溫報警的傳感器位置，定位偏差僅為傳感器布設間距的一半（約3米）。

1. 靈活的報警控制

用戶可以直接遠程登錄主機或通過遠程監測軟件，對整個火災報警系統的報警參數進行設置，并可根據傳感器位置及當期氣候條件，對每個傳感器的報警溫度進行分別設置，也可設置多級報警條件，如溫度預警、溫升預警、溫度報警和溫升報警等，結合實測溫度和溫度變化情況對真實的火災事故進行甄別，基本消除誤報和漏報。

1. 完善的自我診斷功能

本系統中每個光纖傳感通道上的每個溫度傳感器具有波長性，任何一個傳感器的損壞包括斷纖都可以監控軟件中精確定位。系統每進行一次溫度測量的同時進行系統的自我檢測與診斷，實時發現傳感器失效和光纜損壞，以便于及時的維修與維護。

1. 強大的軟件功能

遠程監測軟件通過網絡與測溫主機進行通信，在人機界面上實時顯示每個溫度測點的位置、溫度值、溫度變化情況等。當測量溫度大于預設報警溫度時，測溫主機觸發報警控制器動作，啟動噴水降溫裝置或滅火裝置，監控軟件亦能觸發軟件界面的聲光報警，提醒值班人員盡快處理。同時操作人員還可以對每個溫度測點的歷史溫度數據、報警紀錄進行多條件查詢，生產安全運行報表等。

四.系統組成

HO-3000光纖光柵隧道火災監測系統主要由以下六部分組成：

• 光纖光柵溫度傳感器陣列
• 傳輸光纜
• 信號處理系統
• 火災報警控制器
• 手動報警模塊
• 光纖通信模塊

五.安裝施工

1. HO-3000光纖光柵隧道火災監測系統傳感鏈路安裝示意圖

1. 光纖光柵溫度傳感器布設示意圖

根據項目的需求測溫主機配8個通道測溫主機，每個光纖通道可連接一條測溫光纖光柵傳感器陣列，一條測溫光纖光柵傳感器陣列由20只溫度傳感器組成，傳感器陣列中的每只傳感器間距10米，每條傳感器陣列可檢測200米。

1. 安裝流程

1. 溫度傳感器陣列部分

溫度傳感器陣列通常安裝在隧道頂部，距隧道頂10~20厘米，以保證傳感器周圍良好的空氣流動。

1. 使用電錘，根據膨脹螺栓的大小選擇鉆頭，在隧道頂中間打孔，將支架每隔20米安裝一個，一般每個支架至少用三支膨脹螺栓固定。

1. 安裝鋼絞線，從洞口位置先把鋼索一端牢牢固定在支架上，然后依次把鋼索輕輕固定在支架卡槽，制藥可以掛住鋼索不掉落即可，連續200米左右，使用鋼索拉力器將鋼索拉直（此時拉力非常巨大，確保*個固定支架的牢固性，以防鋼索彈回發生危險），依次把支架中的固定夾擰緊，保證鋼索與隧道頂平行。

1. 安裝光纖光柵鏈路，先把條鏈路以滾輪的方式輕輕展開，以尾端開始從隧道口安裝，沒隔兩米使用掛鉤將鏈路掛到鋼索上。尾端使用扎帶固定以防花落掛鉤，鏈路應以松弛狀態掛在掛鉤上。安裝完畢*條，第二條則以首端開始，使兩串鏈路首首相接，首端兩只傳感器間距10米，剩余首端光纖通過開槽埋管的方式從隧道頂端穿到弱電電纜溝中，依次將8條鏈路安裝完畢。

1. 傳輸光纜部分

傳輸光纜采用標準G652型鎧裝通信光纜，從離主控室遠的兩串鏈路引導電纜溝位置開始敷設到集控室內。鏈路引到電纜溝位置預留5米光纜，以方便光纖熔接。如圖11

1. 測溫主機

測溫主機（副機）安裝在隧道設備室的19英寸機架上，采用220V交流供電。當溫度傳感器陣列可通過傳輸光纜連接到主機的輸出通道上。

1. 火災報警控制器部分

火災報警控制器和測溫主機一起安裝在隧道設備機架上，采用220V交流供電，通過RS485接口與主機通信。

1. 手動報警按鈕部分

手動報警按鈕安裝在隧道側面，安裝位置距地面1.4m，安裝間隔為50米，連接線為雙絞線，穿管敷設至設備隧道洞，與火災報警控制器連接。

六.系統設計

在隧道火災監測報警系統設計時，除遵守國家法律法規要求外，還要根據實際情況選擇合適的系統配置，以便于設計出一個可靠、經濟、實用的火災自動報警監控系統。

項目中隧道設計案例。

1.      1.63公里隧道

主要參數：

溫度測點個數：160個

單條傳感器陣列監測距離：200米

溫度測點間距：10米

主要設備：

8通道HO-3000型測溫主機：1臺   

光纖光柵溫度傳感器陣列JC-W02：8條

監測軟件（JC-SOFT）：1套

傳輸光纜：12芯多心光纜1.8公里

研華工控機IPC-610